전기화 통한 에너지 전환 – 탄소 중립 세계를 위한 핵심 요소

전기화는 화석 연료와 같은 비전기 에너지 원천에 의존하던 기술과 프로세스를 전기 에너지로 구동되는 것으로 전환하는 노력입니다. 이상적으로는 태양광, 풍력, 수력 등 재생 가능 에너지 원천에서 생성된 전기를 사용합니다. 주요 이점은 온실가스(GHG) 배출량 감소입니다.

2050년까지 에너지 부문에서 탄소 배출량 순제로 목표를 달성하려면 탄소 dioxide 배출량을 줄이기 위해 모든 가능한 조치를 활용해야 합니다. 전기화는 2030년부터 2050년까지 해당 부문에서 가장 영향력 있는 탄소 감축 조치로 예상되며, 2022년부터 2030년까지는 풍력과 태양광(PV)에 이어 두 번째로 중요한 역할을 할 것입니다. 또한 21세기 말까지 파리 기후 협정의 1.5°C 목표를 유지하기 위해 필수적입니다.

전기화(electrification)에 따른 배출량 감축의 대부분은 화석 연료에 대한 의존도를 재생 가능 에너지로 전환하는 데서 비롯되며, 이러한 조치의 대부분은 현재 사용 가능하고 확장 가능한 기술로 제공됩니다.

탄소 중립을 달성하기 위해서는 모든 산업 부문이 효율성 개선, 탄소 포집 및 저장(CCS), 수소 연료 전환 등 여러 가지 방법을 동시에 모색해야 합니다.

세계적으로 목표가 설정되고 지역적으로 의무화된 순 제로 목표를 달성하려면 현재 화석 연료가 사용되고 있는 운송, 난방 및 산업 부문에서 온실가스 배출을 줄여야 하며, 이러한 탄소 감축 노력은 쉽지도 저렴하지도 않을 것입니다. 다음 섹션에서는 에너지 전환에 대한 산업별 기회를 하이라이트로 소개합니다.

정확한 비율은 지역마다 다르지만, 운송은 화석 연료의 광범위한 사용으로 인해 지속적으로 온실가스 배출의 주요 원인으로 꼽히고 있습니다. 경량 전기 자동차의 전기화 비율은 증가하고 있지만, 이 부문은 전체 에너지 사용량의 1% 미만을 차지하고 있어 경량, 중형 및 대형 차량의 성장 여지가 크다는 것을 보여줍니다.

현재 중국, 유럽, 미국이 차량 및 전기차(EV) 시장 규모에서 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 중국은 강력한 정부 정책과 인센티브, 국내 석유 공급 부족으로 인해 전 세계에서 가장 높은 전기차 판매량을 기록하고 있습니다.

전기차는 여러 부정적인 시장 외부 효과를 가지고 있으며, 가장 큰 문제는 제한된 충전 인프라와 높은 초기 비용입니다. 후자는 주로 배터리 비용에 기인합니다. 전기차 수가 증가함에 따라 지역 전력망에 부담을 줄 수 있지만, 특정 지역에서 태양광 PV 마이크로 그리드를 활용한 지역 전력 생산을 통해 전력망 용량을 전략적으로 확장함으로써 이 문제를 일부 완화할 수 있습니다.

대형 차량은 추가적인 장애물에 직면합니다. 예를 들어, 트럭의 높은 적재량 요구 사항은 배터리의 무거운 무게로 인해 EV 설계에 어려움을 초래합니다. 또한 장거리 운송 차량은 하루에 수백 또는 수천 킬로미터를 자주 운행해야 하지만, 제한된 충전 인프라를 사용하여 빈번하고 광범위한 충전이 필요한 경우 이는 불가능할 수 있습니다. 충전 시간을 단축하고 배터리 에너지 대 무게 비율을 개선하는 혁신이 없으면, 이러한 문제들은 중형 전기 차량이 기존 화석 연료 트럭의 대부분을 대체하는 능력을 제한합니다. 총 소유 비용도 중요한 역할을 하며, 전기 트럭은 운영 비용이 낮지만 높은 초기 투자 비용이 운송업체에게 장벽이 될 수 있습니다.

항공 산업에서는 충분한 추진력을 발휘하기 위해 필요한 배터리 무게가 너무 크기 때문에 전기화는 단순히 고려 대상에서 제외됩니다. 대신 산업은 지속 가능한 항공 바이오 연료와 운영 최적화를 통해 배출량을 줄이는 방안을 탐구하고 있습니다.

건물은 이미 공간 냉방, 냉장, 조명 및 컴퓨팅 장비에 전기를 사용하지만, 프로판, 천연 가스 또는 디젤로 구동되는 공간 및 물 난방 시스템에는 개선의 여지가 있습니다.

전기 열펌프는 온화한 기후에서 주택의 난방과 냉방을 효율적으로 수행해 왔지만, 영하 온도에서 효과적으로 작동하는 데 어려움을 겪어 왔습니다. 그러나 최근 혁신 기술 - 가변 속도 인버터 구동 압축기 기술 등 -은 -12°C(10.4°F) 이하의 극한 기후에서도 시스템 성능을 확보할 수 있게 했습니다.

지열 열펌프의 효율성은 타의 추종을 불허하지만, 천연가스 설비를 열펌프로 전환하는 데 필요한 높은 초기 투자 비용이 장애물이 될 수 있습니다. 신규 건설은 이 분야에서 전기화를 추진하는 가장 좋은 기회입니다. 왜냐하면 이미 높은 초기 투자 비용이 투입되고 있을 가능성이 높기 때문입니다. 또한, 장기적인 운영 비용 절감과 탄소 배출량 감소는 이러한 상황에서 추가적인 자본 투자 비용을 정당화할 수 있습니다.

전체적으로, 열펌프 기술을 활용한 건물 전기화와 청정 전력 생산을 결합한 접근 방식은 기후 목표 달성을 위한 중요한 경로입니다.

산업은 많은 자산을 전기화하여 순 제로 에너지와 결합할 경우 화석 연료에 대한 의존도를 줄일 수 있는, 아직 대부분 실현되지 않은 잠재력을 가지고 있습니다. 전기화의 가장 큰 기회는 식품 건조, 음료 생산, 제지 가공 및 경공업과 같은 저온 열 공정에서 찾을 수 있습니다. 여기에는 약 400°C (752°F)까지 열을 발생시키는 공정이 포함됩니다.

음료 시장은 이전에 천연 가스 및 연료유로 구동되던 공정을 전기화할 수 있습니다. 물과 증기를 가열하기 위해 화석 연료에 의존하던 제조 공정은 기계식 증기 재압 증발기, 증기 건조기 및 전기 보일러와 같은 특수 장비를 사용할 수 있습니다. 전문가들은 제조업체가 공정에 사용하는 모든 화석 연료의 50% 이상을 전기로 대체할 수 있으며, 이는 에너지 전환에 도움이 될 것이라고 추정합니다.

1,000°C(1,832°F) 이상의 고온이 필요한 산업 프로세스의 전기화 속도는 철강 및 시멘트 생산과 같은 산업에서 수명이 긴 장비를 대체할 수 있는 새로운 전기 기술의 개발에 달려 있습니다. 예를 들어, 기존 용광로를 대체할 수 있고 배출 가스를 대폭 줄일 수 있는 전기 아크 용광로가 개발되고 있습니다.

산업 부문 전체는 여러 가지 복잡한 경로를 통해 온실가스를 배출합니다. 여기에는 화석 연료에서 생산된 전기를 통한 간접 배출과 현장 화석 연료 연소 및 발전에 따른 직접 배출, 그리고 온실가스 공정 부산물 및 누출이 포함됩니다. 전기화는 이러한 모든 배출원을 줄일 수 있지만, 초기 비용과 운영 비용이 더 높을 수 있습니다.

전기화 논의에는 배터리와 배터리 기술이 반드시 포함되어야 합니다. 배터리는 에너지 전환의 핵심 요소로, 특히 태양광 PV와 풍력 등 간헐적인 전력 공급원을 안정화하는 데 중요한 역할을 하는 전기화 이동 수단과 대규모 전력 저장 시스템에 필수적입니다. 배터리는 또한 소형 발전기, 고정식 발전 시설 및 이동식 장비 등을 대체하여 장치와 시스템의 이동식 전력 생성을 가능하게 합니다.

다양한 새로운 배터리 설계와 재료 과학 분야의 최근 진보는 더 우수한 배터리 화학 및 효율성을 가능하게 하고 있습니다. 일반적으로 리튬 이온 배터리는 다른 재료에 비해 높은 에너지 효율성과 긴 사이클 수명으로 인해 선호됩니다. 이러한 배터리는 규모의 경제 효과를 누려왔으며, 현재 그리드 규모 저장용 배터리 기술의 주류로 자리 잡고 있습니다.

배터리는 음극, 양극, 분리막, 전해질, 그리고 양극과 음극을 연결하는 두 개의 전류 수집기로 구성됩니다. 음극과 양극은 리튬을 저장하며, 전해질은 분리막을 통해 음극에서 양극으로, 양극에서 음극으로 양이온화된 리튬 이온을 운반합니다. 리튬 이온의 이동은 음극에서 자유 전자(전하)를 생성하며, 이는 양극의 전류 수집기에 전하를 발생시킵니다. 전기 전류는 전류 수집기를 통해 전력을 공급받는 장치로 흐르며, 다시 음극 전류 수집기로 돌아갑니다. 분리막은 배터리 내부의 전자 흐름을 차단하지만 리튬 이온의 이동은 허용합니다.

전기차(EV)와 그리드 규모 배터리 모두의 주요 장점은 펌프식 수력 발전과 유사하게 전기 에너지를 필요에 따라 흡수, 저장, 방출할 수 있는 능력입니다.

전기화에 배터리의 이점을 활용하면 배터리 생산에 필요한 원자재와 관련된 새로운 도전과제가 발생합니다. 책임감 있는 배터리 미네랄 조달은 글로벌 지속 가능성 의제에서 중요한 문제이므로, 이러한 자재의 추출은 신뢰할 수 있는 배터리 솔루션 파트너와 함께 진행해야 합니다.

대부분의 배터리와 마찬가지로 EV 배터리도 주로 에너지 전환 미네랄(ETM)로 구성되어 있으며, 이는 “중요 미네랄”이라고도 불립니다. 현재 대부분의 전기차 배터리는 리튬 이온 배터리를 사용하며, 리튬, 코발트, 니켈, 그래핀 등 다양한 양의 ETM을 포함합니다. 이러한 재료의 대부분은 순환 경제에서 재사용 및 재활용이 가능하지만, 화석 연료의 지속적인 채굴과 연소에 의존하는 내연기관 차량과는 달리 전기차 배터리는 그렇지 않습니다. 전기차 모터와 풍력 터빈 영구 자석에는 구리 등 다른 희토류 원소도 필요합니다.

지속 가능한 공급망은 이러한 재료의 추적성을 지속적으로 개선해야 합니다. 배터리 제조업체는 Endress+Hauser와 같은 기업의 심층적인 전문 지식을 활용하여 계측 감사 및 인증 이니셔티브를 지원할 수 있습니다.

비용, 기술 실행 가능성 및 환경 영향에 대한 적절한 정보와 투명한 비교는 전기화 결정을 내리는 데 매우 중요하지만, 이러한 요소는 너무 자주 불완전하거나 누락됩니다. 많은 산업에서 고객은 기존 솔루션과 전기화 솔루션 중에서 선택할 때 이러한 영향과 정부 지원 인센티브의 가용성에 대해 알지 못하거나 심지어 잘못된 정보를 알고 있는 경우도 있습니다.

다행히도 전기화 및 기타 저탄소 기술은 산업 및 소비자 시장 모두에서 점점 더 널리 보급되고 가격이 낮아지고 있으며, 발전과 규모의 경제가 이러한 추세를 촉진하는 데 도움이 되고 있습니다. 넷제로 목표를 달성하기 위해 기업과 정부는 운송, 난방 및 산업 부문에서 전기화 및 기타 방법을 활용하여 이산화탄소 배출을 줄이는 지속 가능성 공약을 지속적으로 만들고 지지해야 합니다.